Genetisk kode og dens egenskaber biologi. Degeneration af den genetiske kode: generel information

Genklassificering

1) Ved arten af ​​interaktion i et allel par:

Dominant (et gen, der er i stand til at undertrykke manifestationen af ​​et recessivt gen, der er allel til det); - recessiv (et gen, hvis ekspression undertrykkes af dets alleliske dominante gen).

2) Funktionel klassificering:

2) Genetisk kode- det er visse kombinationer af nukleotider og rækkefølgen af ​​deres placering i DNA-molekylet. Dette er en metode, der er karakteristisk for alle levende organismer til at koder for aminosyresekvensen af ​​proteiner ved hjælp af en sekvens af nukleotider.

DNA bruger fire nukleotider - adenin (A), guanin (G), cytosin (C), thymin (T), som i russisk litteratur er betegnet med bogstaverne A, G, T og C. Disse bogstaver udgør alfabetet i genetisk kode. RNA bruger de samme nukleotider, med undtagelse af thymin, som er erstattet af et lignende nukleotid - uracil, som er betegnet med bogstavet U (U i russisk litteratur). I DNA- og RNA-molekyler er nukleotider arrangeret i kæder, og dermed opnås sekvenser af genetiske bogstaver.

Genetisk kode

For at bygge proteiner i naturen bruges 20 forskellige aminosyrer. Hvert protein er en kæde eller flere kæder af aminosyrer i en strengt defineret sekvens. Denne sekvens bestemmer strukturen af ​​proteinet, og derfor hele dets biologiske egenskaber. Sættet af aminosyrer er også universelt for næsten alle levende organismer.

Implementering genetisk information i levende celler (det vil sige syntesen af ​​proteinet kodet af genet) udføres ved hjælp af to matrixprocesser: transkription (det vil sige syntesen af ​​mRNA på en DNA-skabelon) og translation af den genetiske kode til en aminosyresekvens (syntese af en polypeptidkæde på en mRNA-skabelon). Tre på hinanden følgende nukleotider er tilstrækkelige til at kode for 20 aminosyrer, såvel som stopsignalet, der indikerer slutningen af ​​proteinsekvensen. Et sæt af tre nukleotider kaldes en triplet. Accepterede forkortelser svarende til aminosyrer og kodoner er vist i figuren.

Egenskaber af den genetiske kode

1. Trefoldighed- en meningsfuld kodeenhed er en kombination af tre nukleotider (en triplet eller kodon).

2. Kontinuitet- der er ingen tegnsætningstegn mellem trillinger, det vil sige, at informationen læses løbende.

3. Diskrethed- det samme nukleotid kan ikke være en del af to eller flere tripletter på samme tid.

4. Specificitet- et specifikt kodon svarer kun til én aminosyre.

5. Degeneration (redundans)- flere kodoner kan svare til den samme aminosyre.

6. Alsidighed - genetisk kode virker det samme i organismer forskellige niveauer kompleksitet - fra vira til mennesker. (metoderne er baseret på dette genteknologi)

3) transskription - processen med RNA-syntese ved hjælp af DNA som skabelon, der forekommer i alle levende celler. Med andre ord er det overførsel af genetisk information fra DNA til RNA.

Transskription katalyseres af enzymet DNA-afhængig RNA-polymerase. Processen med RNA-syntese fortsætter i retningen fra 5" til 3"-enden, det vil sige langs DNA-templatestrengen bevæger RNA-polymerase sig i retningen 3"->5"

Transskription består af stadierne initiering, forlængelse og afslutning.

Påbegyndelse af transskription- en kompleks proces, der afhænger af DNA-sekvensen nær den transskriberede sekvens (og i eukaryoter også på fjernere dele af genomet - forstærkere og lyddæmpere) og af tilstedeværelsen eller fraværet af forskellige proteinfaktorer.

Forlængelse- yderligere afvikling af DNA og syntese af RNA langs den kodende kæde fortsætter. det sker ligesom DNA-syntese i 5-3 retningen

Afslutning- så snart polymerasen når terminatoren, spaltes den straks fra DNA'et, den lokale DNA-RNA-hybrid ødelægges, og det nysyntetiserede RNA transporteres fra kernen til cytoplasmaet, og transkriptionen er fuldført.

Forarbejdning- et sæt reaktioner, der fører til omdannelse af primære produkter fra transkription og translation til fungerende molekyler. Funktionelt inaktive precursormolekyler udsættes for P. ribonukleinsyrer (tRNA, rRNA, mRNA) og mange andre. proteiner.

I processen med syntese af kataboliske enzymer (nedbrydning af substrater) forekommer inducerbar syntese af enzymer i prokaryoter. Dette giver cellen mulighed for at tilpasse sig miljøforhold og spare energi ved at stoppe syntesen af ​​det tilsvarende enzym, hvis behovet for det forsvinder.
For at inducere syntesen af ​​kataboliske enzymer kræves følgende betingelser:

1. Enzymet syntetiseres kun, når nedbrydningen af ​​det tilsvarende substrat er nødvendig for cellen.
2. Koncentrationen af ​​substratet i mediet skal overstige et vist niveau, før det tilsvarende enzym kan dannes.
Mekanismen for regulering af genekspression i Escherichia coli er den mest velundersøgte ved at bruge eksemplet med lac-operonen, som styrer syntesen af ​​tre kataboliske enzymer, der nedbryder laktose. Hvis der er meget glukose og lidt lactose i cellen, forbliver promotoren inaktiv, og repressorproteinet er placeret på operatøren - transskription af lac-operonen blokeres. Når mængden af ​​glukose i mediet, og derfor i cellen, falder, og laktose stiger, opstår følgende hændelser: mængden af ​​cyklisk adenosinmonofosfat stiger, det binder sig til CAP-proteinet - dette kompleks aktiverer promotoren, hvortil RNA-polymerase binder; samtidig binder overskydende laktose sig til repressorproteinet og frigiver operatøren fra det - vejen er åben for RNA-polymerase, transkription af lac-operonens strukturelle gener begynder. Laktose virker som en inducer af syntesen af ​​de enzymer, der nedbryder det.

5) Regulering af genekspression i eukaryoter er meget mere kompliceret. Forskellige typer celler fra en multicellulær eukaryot organisme syntetiserer en række identiske proteiner og samtidig adskiller de sig fra hinanden i et sæt proteiner, der er specifikke for celler af en given type. Produktionsniveauet afhænger af celletypen såvel som organismens udviklingsstadium. Regulering af genekspression udføres på celle- og organismeniveau. Generne af eukaryote celler er opdelt i to hovedtyper: den første bestemmer universaliteten af ​​cellulære funktioner, den anden bestemmer (bestemmer) specialiserede cellulære funktioner. Genfunktioner første gruppe dukke op i alle celler. For at udføre differentierede funktioner skal specialiserede celler udtrykke et specifikt sæt gener.
Kromosomer, gener og operoner af eukaryote celler har en række strukturelle og funktionelle træk, hvilket forklarer kompleksiteten af ​​genekspression.
1. Operaner af eukaryote celler har flere gener - regulatorer, som kan være placeret i forskellige kromosomer.
2. Strukturelle gener, der styrer syntesen af ​​enzymer i en biokemisk proces, kan være koncentreret i flere operoner, lokaliseret ikke kun i et DNA-molekyle, men også i flere.
3. Kompleks sekvens af et DNA-molekyle. Der er informative og ikke-informative sektioner, unikke og gentagne gange gentagne informative nukleotidsekvenser.
4. Eukaryote gener består af exoner og introner, og modningen af ​​mRNA er ledsaget af excision af introner fra de tilsvarende primære RNA-transkripter (pro-RNA), dvs. splejsning.
5. Gentransskriptionsprocessen afhænger af kromatins tilstand. Lokal DNA-komprimering blokerer fuldstændigt for RNA-syntese.
6. Transskription i eukaryote celler er ikke altid forbundet med translation. Det syntetiserede mRNA kan lang tid opbevares i form af informationosomer. Transskription og oversættelse forekommer i forskellige rum.
7. Nogle eukaryote gener har inkonsekvent lokalisering (labile gener eller transposoner).
8. Metoder molekylær biologi afslørede den hæmmende virkning af histonproteiner på mRNA-syntese.
9. Under udvikling og differentiering af organer afhænger genaktivitet af hormoner, der cirkulerer i kroppen og forårsager specifikke reaktioner i visse celler. Hos pattedyr er virkningen af ​​kønshormoner vigtig.
10. I eukaryoter udtrykkes på hvert stadie af ontogenese 5-10% af generne, resten skal blokeres.

6) erstatning genetisk materiale

Genetisk reparation- processen med at eliminere genetisk skade og genoprette det arvelige apparat, der forekommer i cellerne i levende organismer under påvirkning af specielle enzymer. Cellernes evne til at reparere genetiske skader blev først opdaget i 1949 af den amerikanske genetiker A. Kellner. Reparation- en særlig funktion af celler, som består i evnen til at korrigere kemiske skader og brud på DNA-molekyler, der er beskadiget under normal DNA-biosyntese i cellen eller som følge af udsættelse for fysiske eller kemiske agenser. Det udføres af specielle enzymsystemer i cellen. En række arvelige sygdomme (f.eks. xeroderma pigmentosum) er forbundet med lidelser i reparationssystemer.

typer af reparationer:

Direkte reparation er den enkleste måde at eliminere skader i DNA, som normalt involverer specifikke enzymer, der hurtigt (normalt i et trin) kan eliminere den tilsvarende skade og genoprette nukleotidernes oprindelige struktur. Dette er for eksempel tilfældet med O6-methylguanin DNA-methyltransferase, som fjerner en methylgruppe fra en nitrogenholdig base til en af ​​dens egne cysteinrester.

Den genetiske kode, udtrykt i kodoner, er et system til kodning af information om strukturen af ​​proteiner, der er iboende i alle levende organismer på planeten. Det tog et årti at tyde det, men videnskaben forstod, at det eksisterede i næsten et århundrede. Universalitet, specificitet, ensrettethed og især degenerationen af ​​den genetiske kode er vigtige biologisk betydning.

Opdagelsernes historie

Problemet med kodning har altid været nøglen i biologien. Videnskaben har bevæget sig ret langsomt hen imod matrixstrukturen af ​​den genetiske kode. Siden opdagelsen af ​​den dobbelte spiralformede struktur af DNA af J. Watson og F. Crick i 1953, begyndte stadiet med at optrevle selve kodens struktur, hvilket foranledigede troen på naturens storhed. Den lineære struktur af proteiner og den samme struktur af DNA antydede tilstedeværelsen af ​​en genetisk kode som en overensstemmelse mellem to tekster, men skrevet vha. forskellige alfabeter. Og hvis alfabetet af proteiner var kendt, så blev tegnene på DNA genstand for undersøgelse af biologer, fysikere og matematikere.

Det nytter ikke at beskrive alle trinene i at løse denne gåde. Et direkte eksperiment, der beviste og bekræftede, at der er en klar og konsekvent overensstemmelse mellem DNA-kodoner og proteinaminosyrer, blev udført i 1964 af C. Janowski og S. Brenner. Og så - perioden med at dechifrere den genetiske kode in vitro (i et reagensglas) ved hjælp af proteinsynteseteknikker i cellefri strukturer.

Den fuldt dechiffrerede kode for E. Coli blev offentliggjort i 1966 på et symposium af biologer i Cold Spring Harbor (USA). Så blev redundansen (degenerationen) af den genetiske kode opdaget. Hvad dette betyder er forklaret ganske enkelt.

Afkodningen fortsætter

Indhentning af data om dechifrering af den arvelige kode var en af ​​de vigtigste begivenheder i det sidste århundrede. I dag fortsætter videnskaben med at i dybden studere mekanismerne for molekylære kodninger og dens systemiske træk og overskydende tegn, som udtrykker den genetiske kodes degenerationsegenskab. En separat studiegren er fremkomsten og udviklingen af ​​systemet til kodning af arveligt materiale. Beviser for forbindelsen mellem polynukleotider (DNA) og polypeptider (proteiner) gav skub til udviklingen af ​​molekylærbiologi. Og det til gengæld til bioteknologi, bioteknik, opdagelser inden for avl og planteavl.

Dogmer og regler

Molekylærbiologiens hoveddogme er, at information overføres fra DNA til messenger-RNA og derefter fra det til protein. I den modsatte retning er overførsel mulig fra RNA til DNA og fra RNA til et andet RNA.

Men matrixen eller grundlaget forbliver altid DNA. Og alle andre grundlæggende træk ved informationstransmission er en afspejling af denne matrixnatur af transmission. Nemlig transmission gennem syntesen af ​​andre molekyler på matrixen, som bliver strukturen for reproduktion af arvelig information.

Genetisk kode

Lineær kodning af strukturen af ​​proteinmolekyler udføres ved hjælp af komplementære kodoner (tripletter) af nukleotider, hvoraf der kun er 4 (adein, guanin, cytosin, thymin (uracil)), hvilket spontant fører til dannelsen af ​​en anden kæde af nukleotider . Det samme antal og kemiske komplementaritet af nukleotider er hovedbetingelsen for en sådan syntese. Men når et proteinmolekyle dannes, er der ikke noget kvalitetsmatch mellem mængden og kvaliteten af ​​monomerer (DNA-nukleotider er proteinaminosyrer). Dette er den naturlige arvelige kode - et system til registrering af sekvensen af ​​aminosyrer i et protein i en sekvens af nukleotider (kodoner).

Den genetiske kode har flere egenskaber:

• Trefoldighed.
• Entydighed.
• Retningsbestemthed.
• Ikke-overlappende.
• Redundans (degeneration) af den genetiske kode.
• Alsidighed.

Lad os give kort beskrivelse, med fokus på biologisk betydning.

Tredobbelt, kontinuitet og tilstedeværelsen af ​​stopsignaler

Hver af de 61 aminosyrer svarer til én sensetriplet (triplet) af nukleotider. Tre tripletter bærer ikke aminosyreinformation og er stopkodoner. Hvert nukleotid i kæden er en del af en triplet og eksisterer ikke alene. I slutningen og i begyndelsen af ​​kæden af ​​nukleotider, der er ansvarlige for et protein, er der stopkodoner. De starter eller stopper translation (syntesen af ​​et proteinmolekyle).

Specificitet, ikke-overlapning og ensrettethed

Hvert kodon (triplet) koder kun for én aminosyre. Hver triplet er uafhængig af sin nabo og overlapper ikke. Et nukleotid kan kun inkluderes i en triplet i kæden. Proteinsyntese sker altid kun i én retning, som reguleres af stopkodoner.

Redundans af den genetiske kode

Hver triplet af nukleotider koder for én aminosyre. Der er 64 nukleotider i alt, hvoraf 61 koder for aminosyrer (sense-kodoner), og tre er nonsens, det vil sige, at de ikke koder for en aminosyre (stopkodoner). Redundansen (degenerationen) af den genetiske kode ligger i, at der i hver triplet kan foretages substitutioner - radikale (fører til udskiftning af en aminosyre) og konservative (ændrer ikke aminosyrens klasse). Det er let at beregne, at hvis der kan foretages 9 substitutioner i en triplet (position 1, 2 og 3), kan hvert nukleotid erstattes af 4 - 1 = 3 andre muligheder, så samlet mængde mulige muligheder nukleotidsubstitutioner vil være 61 gange 9 = 549.

Degenerationen af ​​den genetiske kode kommer til udtryk ved, at 549 varianter er meget mere, end der er nødvendigt for at kode information om 21 aminosyrer. Ud af 549 varianter vil 23 substitutioner desuden føre til dannelsen af ​​stopkodoner, 134 + 230 substitutioner er konservative, og 162 substitutioner er radikale.

Regel om degeneration og udelukkelse

Hvis to kodoner har to identiske første nukleotider, og de resterende er repræsenteret af nukleotider af samme klasse (purin eller pyrimidin), så bærer de information om den samme aminosyre. Dette er reglen om degeneration eller redundans af den genetiske kode. To undtagelser er AUA og UGA - den første koder for methionin, selvom den skal være isoleucin, og den anden er en stopkodon, selvom den skal kode for tryptofan.

Betydningen af ​​degeneration og universalitet

Det er disse to egenskaber ved den genetiske kode, der har den største biologiske betydning. Alle de ovennævnte egenskaber er karakteristiske for den arvelige information om alle former for levende organismer på vores planet.

Degenerationen af ​​den genetiske kode har adaptiv betydning, ligesom multiple duplikering af koden for en aminosyre. Derudover betyder dette et fald i signifikans (degeneration) af det tredje nukleotid i kodonet. Denne mulighed minimerer mutationsskader i DNA, hvilket vil føre til grove overtrædelser i proteinstrukturen. Denne forsvarsmekanisme levende organismer på planeten.

- samlet system registreringer af arvelig information i molekyler nukleinsyrer som en sekvens af nukleotider. Den genetiske kode er baseret på brugen af ​​et alfabet bestående af kun fire bogstaver-nukleotider, kendetegnet ved nitrogenholdige baser: A, T, G, C.

De vigtigste egenskaber ved den genetiske kode er som følger:

1. Den genetiske kode er triplet. En triplet (kodon) er en sekvens af tre nukleotider, der koder for én aminosyre. Da proteiner indeholder 20 aminosyrer, er det indlysende, at hver af dem ikke kan kodes af et nukleotid (da der kun er fire typer nukleotider i DNA, i dette tilfælde forbliver 16 aminosyrer ukodede). To nukleotider er heller ikke nok til at kode for aminosyrer, da der i dette tilfælde kun kan kodes for 16 aminosyrer. Betyder, mindste antal antallet af nukleotider, der koder for en aminosyre, er lig med tre. (I dette tilfælde er antallet af mulige nukleotidtripletter 4 3 = 64).

2. Redundans (degeneration) af koden er en konsekvens af dens tripletnatur og betyder, at én aminosyre kan kodes af flere tripletter (da der er 20 aminosyrer og 64 tripletter). Undtagelserne er methionin og tryptofan, som kun er kodet af én triplet. Derudover udfører nogle trillinger specifikke funktioner. Så i mRNA-molekylet er tre af dem UAA, UAG, UGA stopkodoner, dvs. stopsignaler, der stopper syntesen af ​​polypeptidkæden. Tripletten svarende til methionin (AUG), placeret i begyndelsen af ​​DNA-kæden, koder ikke for en aminosyre, men udfører funktionen at initiere (spændende) læsning.

3. Sammen med redundans er koden karakteriseret ved egenskaben entydighed, hvilket betyder, at hver kodon kun svarer til én specifik aminosyre.

4. Koden er kollineær, dvs. sekvensen af ​​nukleotider i et gen matcher nøjagtigt sekvensen af ​​aminosyrer i et protein.

5. Den genetiske kode er ikke-overlappende og kompakt, det vil sige, at den ikke indeholder "tegnsætningstegn." Det betyder, at aflæsningsprocessen ikke giver mulighed for overlappende søjler (tripletter), og startende ved et bestemt kodon fortsætter læsningen kontinuerligt, triplet efter triplet, indtil stopsignalerne (termineringskodoner). For eksempel vil følgende sekvens af nitrogenholdige baser AUGGGUGTSUUAAUGUG i mRNA kun blive læst af sådanne tripletter: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG og ikke AUG, UGG, GGU, GUG osv. eller AUG, GGU, UGC, CUU osv. osv. eller på anden måde (for eksempel kodon AUG, tegnsætningstegn G, kodon UGC, tegnsætningstegn U osv.).

6. Den genetiske kode er universel, det vil sige, at alle organismers nukleare gener koder information om proteiner på samme måde, uanset organisationsniveau og systematisk stilling disse organismer.

I kroppens stofskifte ledende rolle tilhører proteiner og nukleinsyrer.
Proteinstoffer danner grundlag for alle vitale cellestrukturer og har en usædvanlig høj reaktivitet, udstyret med katalytiske funktioner.
Nukleinsyrer er en del af cellens vigtigste organ - kernen, såvel som cytoplasmaet, ribosomer, mitokondrier osv. Nukleinsyrer spiller en vigtig, primær rolle i arvelighed, variabilitet i kroppen og i proteinsyntese.

Plan syntese Proteinet er lagret i cellekernen, og direkte syntese sker uden for kernen, så det er nødvendigt leveringsservice kodet plan fra kernen til syntesestedet. Denne leveringsservice udføres af RNA-molekyler.

Processen starter kl kerne celler: en del af DNA-stigen vikles af og åbnes. Takket være dette danner RNA-bogstaverne bindinger med de åbne DNA-bogstaver i en af ​​DNA-strengene. Enzymet overfører RNA-bogstaverne til at forbinde dem til en streng. Sådan bliver DNA-bogstaverne "omskrevet" til RNA-bogstaver. Den nydannede RNA-kæde adskilles, og DNA-"stigen" vrider sig igen. Processen med at læse information fra DNA og syntetisere den ved hjælp af dens RNA-matrix kaldes transskription , og det syntetiserede RNA kaldes messenger eller mRNA .

Efter yderligere modifikationer er denne type kodet mRNA klar. mRNA kommer ud af kernen og går til stedet for proteinsyntese, hvor bogstaverne i mRNA'et dechifreres. Hvert sæt af tre i-RNA-bogstaver danner et "bogstav", der repræsenterer en specifik aminosyre.

En anden type RNA finder denne aminosyre, fanger den ved hjælp af et enzym og leverer den til stedet for proteinsyntese. Dette RNA kaldes transfer RNA eller t-RNA. Efterhånden som mRNA-meddelelsen læses og oversættes, vokser kæden af ​​aminosyrer. Denne kæde vrider og folder til en unik form, hvilket skaber én type protein. Selv proteinfoldningsprocessen er bemærkelsesværdig: det kræver en computer at beregne alt muligheder at folde et protein af gennemsnitlig størrelse bestående af 100 aminosyrer ville tage 1027 (!) år. Og det tager ikke mere end et sekund at danne en kæde på 20 aminosyrer i kroppen, og denne proces foregår kontinuerligt i alle kroppens celler.

Gener, genetisk kode og dens egenskaber.

Der bor omkring 7 milliarder mennesker på Jorden. Bortset fra de 25-30 millioner par af enæggede tvillinger, genetisk alle mennesker er forskellige : alle er unikke, har unikke arvelige egenskaber, karaktertræk, evner og temperament.

Disse forskelle er forklaret forskelle i genotyper- sæt af gener fra organismen; Hver enkelt er unik. De genetiske karakteristika af en bestemt organisme er legemliggjort i proteiner - derfor afviger strukturen af ​​proteinet hos én person, om end meget lidt, fra proteinet hos en anden person.

Det betyder ikke at ikke to mennesker har nøjagtig de samme proteiner. Proteiner, der udfører de samme funktioner, kan være ens eller kun afvige lidt med en eller to aminosyrer fra hinanden. Men eksisterer ikke på Jorden af ​​mennesker (med undtagelse af enæggede tvillinger), som ville have alle deres proteiner er de samme .

Protein Primær Struktur Information kodet som en sekvens af nukleotider i en sektion af et DNA-molekyle, gen – en enhed af arvelig information om en organisme. Hvert DNA-molekyle indeholder mange gener. Helheden af ​​alle gener i en organisme udgør den genotype . Således,

Gen er en enhed af arvelig information om en organisme, som svarer til en separat del af DNA

Kodning af arvelig information sker vha genetisk kode , som er universel for alle organismer og kun adskiller sig i vekslen af ​​nukleotider, der danner gener og koder for proteiner fra specifikke organismer.

Genetisk kode består af tripletter (tripletter) af DNA-nukleotider, kombineret i forskellige sekvenser (AAT, HCA, ACG, THC osv.), som hver koder for en specifik aminosyre (som vil blive indbygget i polypeptidkæden).

Faktisk kode tæller sekvens af nukleotider i et mRNA-molekyle , fordi det fjerner information fra DNA (proces transskriptioner ) og oversætter det til en sekvens af aminosyrer i molekylerne af syntetiserede proteiner (processen udsendelser ).
Sammensætningen af ​​mRNA omfatter nukleotiderne A-C-G-U, hvis tripletter kaldes kodoner : en triplet på DNA CGT på i-RNA bliver en triplet GCA, og en triplet DNA AAG bliver til en triplet UUC. Nøjagtig mRNA-kodoner den genetiske kode afspejles i journalen.

Således, genetisk kode - et samlet system til registrering af arvelig information i nukleinsyremolekyler i form af en sekvens af nukleotider . Den genetiske kode er baseret på brugen af ​​et alfabet bestående af kun fire bogstaver-nukleotider, kendetegnet ved nitrogenholdige baser: A, T, G, C.

Grundlæggende egenskaber ved den genetiske kode:

1. Genetisk kode trilling. En triplet (kodon) er en sekvens af tre nukleotider, der koder for én aminosyre. Da proteiner indeholder 20 aminosyrer, er det indlysende, at hver af dem ikke kan kodes af ét nukleotid ( Da der kun er fire typer nukleotider i DNA, forbliver der i dette tilfælde 16 aminosyrer ukodede). To nukleotider er heller ikke nok til at kode for aminosyrer, da der i dette tilfælde kun kan kodes for 16 aminosyrer. Det betyder, at det mindste antal nukleotider, der koder for én aminosyre, skal være mindst tre. I dette tilfælde er antallet af mulige nukleotidtripletter 43 = 64.

2. Redundans (degeneration) Koden er en konsekvens af dens tripletnatur og betyder, at én aminosyre kan kodes af flere tripletter (da der er 20 aminosyrer og 64 tripletter), med undtagelse af methionin og tryptofan, som kun er kodet af én triplet. Derudover udfører nogle tripletter specifikke funktioner: i et mRNA-molekyle er tripletter UAA, UAG, UGA stopkodoner, dvs. stop-signaler, der stopper syntesen af ​​polypeptidkæden. Tripletten svarende til methionin (AUG), placeret i begyndelsen af ​​DNA-kæden, koder ikke for en aminosyre, men udfører funktionen at initiere (spændende) læsning.

3. Entydighed kode - samtidig med redundans har kode egenskaben entydighed : hver kodon matcher kun en en bestemt aminosyre.

4. Kolinearitet kode, dvs. nukleotidsekvens i et gen nøjagtig svarer til rækkefølgen af ​​aminosyrer i et protein.

5. Genetisk kode ikke-overlappende og kompakt , dvs. ikke indeholder "tegnsætningstegn". Det betyder, at læseprocessen ikke giver mulighed for overlappende kolonner (tripletter), og startende ved en bestemt kodon fortsætter læsningen kontinuerligt triplet efter triplet indtil stop-signaler ( stop kodoner).

6. Genetisk kode universel , det vil sige, at alle organismers nukleare gener koder for information om proteiner på samme måde, uanset organisationsniveauet og den systematiske position af disse organismer.

Der er genetiske kodetabeller til dekryptering kodoner mRNA og konstruktion af kæder af proteinmolekyler.

Matrixsyntesereaktioner.

Reaktioner ukendt i levende systemer forekommer i levende systemer. livløs natur - matrixsyntesereaktioner.

Udtrykket "matrix" i teknologi betegner de en form, der bruges til at støbe mønter, medaljer og typografiske skrifttyper: det hærdede metal gengiver nøjagtigt alle detaljerne i formen, der bruges til støbning. Matrix syntese ligner støbning på en matrix: nye molekyler syntetiseres i nøjagtig overensstemmelse med den plan, der er fastlagt i strukturen af ​​eksisterende molekyler.

Matrixprincippet ligger i kernen de vigtigste syntetiske reaktioner i cellen, såsom syntesen af ​​nukleinsyrer og proteiner. Disse reaktioner sikrer den nøjagtige, strengt specifikke sekvens af monomerenheder i de syntetiserede polymerer.

Der foregår retningsbestemt handling her. sammentrækning af monomerer til bestemt sted celler - til molekyler, der fungerer som en matrix, hvor reaktionen finder sted. Hvis sådanne reaktioner opstod som følge af tilfældige kollisioner af molekyler, ville de forløbe uendeligt langsomt. Syntesen af ​​komplekse molekyler baseret på skabelonprincippet udføres hurtigt og præcist. Matrixens rolle makromolekyler af nukleinsyrer spiller i matrixreaktioner DNA eller RNA .

Monomere molekyler hvorfra polymeren er syntetiseret - nukleotider eller aminosyrer - i overensstemmelse med komplementaritetsprincippet, er lokaliseret og fikseret på matrixen i en nøje defineret, specificeret rækkefølge.

Så sker det "tværbinding" af monomerenheder til en polymerkæde og den færdige polymer udledes fra matrixen.

Efter det matrix er klar til samling af et nyt polymermolekyle. Det er klart, at ligesom der på en given form kun kan støbes én mønt eller ét bogstav, så kan der på et givet matrixmolekyle kun ”samles én polymer”.

Matrix reaktionstype- et specifikt træk ved levende systemers kemi. De er grundlaget for alle levende tings grundlæggende egenskaber - dets evne til at reproducere sin egen art.

Skabelonsyntesereaktioner

1. DNA replikation - replikation (fra latin replicatio - fornyelse) - processen med at syntetisere et dattermolekyle af deoxyribonukleinsyre på matrixen af ​​moder-DNA-molekylet. Under efterfølgende deling af modercellen, hver dattercelle modtager en kopi af et DNA-molekyle, som er identisk med DNA'et fra den oprindelige modercelle. Denne proces sikrer, at genetisk information videregives nøjagtigt fra generation til generation. DNA-replikation udføres af et komplekst enzymkompleks bestående af 15-20 forskellige proteiner, kaldet replisome . Materialet til syntese er frie nukleotider, der er til stede i cellers cytoplasma. Den biologiske betydning af replikation ligger i den nøjagtige overførsel af arvelig information fra modermolekylet til dattermolekylerne, hvilket normalt sker under delingen af ​​somatiske celler.

Et DNA-molekyle består af to komplementære strenge. Disse kæder holdes svage hydrogenbindinger, i stand til at bryde under påvirkning af enzymer. DNA-molekylet er i stand til selvduplikation (replikation), og på hver gammel halvdel af molekylet syntetiseres en ny halvdel.
Derudover kan et mRNA-molekyle syntetiseres på et DNA-molekyle, som derefter overfører informationen modtaget fra DNA til stedet for proteinsyntese.

Informationsoverførsel og proteinsyntese foregår efter matrixprincippet, der kan sammenlignes med arbejdet trykpresse i trykkeriet. Oplysninger fra DNA kopieres mange gange. Hvis der opstår fejl under kopieringen, vil de blive gentaget i alle efterfølgende kopier.

Sandt nok kan nogle fejl ved kopiering af information med et DNA-molekyle rettes - processen med fejleliminering kaldes reparation. Den første af reaktionerne i processen med informationsoverførsel er replikationen af ​​DNA-molekylet og syntesen af ​​nye DNA-kæder.

2. Transskription (fra latin transcriptio - omskrivning) - processen med RNA-syntese ved hjælp af DNA som skabelon, der forekommer i alle levende celler. Med andre ord er det overførsel af genetisk information fra DNA til RNA.

Transskription katalyseres af enzymet DNA-afhængig RNA-polymerase. RNA-polymerase bevæger sig langs DNA-molekylet i retningen 3" → 5". Transskription består af stadier initiering, forlængelse og afslutning . Enheden for transkription er en operon, et fragment af et DNA-molekyle bestående af promotor, transskriberet del og terminator . mRNA består af en enkelt kæde og syntetiseres på DNA i overensstemmelse med reglen om komplementaritet med deltagelse af et enzym, der aktiverer begyndelsen og slutningen af ​​syntesen af ​​mRNA-molekylet.

Det færdige mRNA-molekyle kommer ind i cytoplasmaet på ribosomer, hvor syntesen af ​​polypeptidkæder finder sted.

3. Udsende (fra lat. oversættelse- overførsel, bevægelse) - processen med proteinsyntese fra aminosyrer på en matrix af information (budbringer) RNA (mRNA, mRNA), udført af ribosomet. Med andre ord er dette processen med at oversætte informationen indeholdt i sekvensen af ​​nukleotider af mRNA til sekvensen af ​​aminosyrer i polypeptidet.

4. Omvendt transskription er processen med at danne dobbeltstrenget DNA baseret på information fra enkeltstrenget RNA. Denne proces kaldes omvendt transkription, da overførslen af ​​genetisk information sker i den "omvendte" retning i forhold til transkription. Ideen om omvendt transkription var oprindeligt meget upopulær, fordi den modskød det centrale dogme inden for molekylærbiologi, som antog, at DNA transskriberes til RNA og derefter oversættes til proteiner.

Men i 1970 opdagede Temin og Baltimore uafhængigt af hinanden et enzym kaldet revers transkriptase (revertase) , og muligheden for revers transkription blev endelig bekræftet. I 1975 blev Temin og Baltimore præmieret Nobelprisen inden for fysiologi og medicin. Nogle vira (såsom den humane immundefektvirus, der forårsager HIV-infektion) har evnen til at transskribere RNA til DNA. HIV har et RNA-genom, der er integreret i DNA. Som et resultat kan virussens DNA kombineres med værtscellens genom. Det vigtigste enzym, der er ansvarligt for syntesen af ​​DNA fra RNA, kaldes omvendt. En af funktionerne ved reversease er at skabe komplementært DNA (cDNA) fra det virale genom. Det associerede enzym ribonuklease spalter RNA og reversease syntetiserer cDNA fra DNA-dobbelthelixen. cDNA'et integreres i værtscellens genom ved integrase. Resultatet er syntese af virale proteiner af værtscellen, som danner nye vira. I tilfælde af HIV er apoptose (celledød) af T-lymfocytter også programmeret. I andre tilfælde kan cellen forblive en distributør af vira.

Sekvensen af ​​matrixreaktioner under proteinbiosyntese kan repræsenteres i form af et diagram.

Således, protein biosyntese- det er en af ​​typerne plastik udveksling, hvorunder arvelige oplysninger, kodet i DNA-gener, implementeres i en specifik sekvens af aminosyrer i proteinmolekyler.

Proteinmolekyler er i det væsentlige polypeptidkæder består af individuelle aminosyrer. Men aminosyrer er ikke aktive nok til at kombineres med hinanden alene. Derfor, før de kombineres med hinanden og danner et proteinmolekyle, skal aminosyrer aktivere . Denne aktivering sker under påvirkning af specielle enzymer.

Som et resultat af aktivering bliver aminosyren mere labil og binder sig under påvirkning af det samme enzym til t- RNA. Hver aminosyre svarer til en strengt specifik t- RNA, som finder “sin” aminosyre og overførsler det ind i ribosomet.

Følgelig forskellige aktiverede aminosyrer kombineret med deres egne T- RNA. Ribosomet er ligesom transportør at samle en proteinkæde ud fra forskellige aminosyrer, der tilføres den.

Samtidig med t-RNA, hvorpå dens egen aminosyre "sidder", " signal"fra det DNA, der er indeholdt i kernen. I overensstemmelse med dette signal syntetiseres et eller andet protein i ribosomet.

Den styrende indflydelse af DNA på proteinsyntesen udføres ikke direkte, men ved hjælp af et særligt mellemled - matrix eller messenger RNA (m-RNA eller mRNA), som syntetiseres til kernen e under påvirkning af DNA, så dens sammensætning afspejler sammensætningen af ​​DNA. RNA-molekylet er som en afstøbning af DNA-formen. Det syntetiserede mRNA går ind i ribosomet og overfører det så at sige til denne struktur plan- i hvilken rækkefølge skal de aktiverede aminosyrer, der kommer ind i ribosomet, kombineres med hinanden for at et specifikt protein kan syntetiseres? Ellers, genetisk information kodet i DNA overføres til mRNA og derefter til protein.

mRNA-molekylet går ind i ribosomet og sømme hende. Det segment af det, der er inde i øjeblikket i ribosomet, defineret kodon (triplet), interagerer på en helt specifik måde med dem, der strukturelt ligner den triplet (antikodon) i transfer RNA, som bragte aminosyren ind i ribosomet.

Overførsels-RNA med dets aminosyre matcher en specifik kodon af mRNA'et og forbinder med ham; til den næste, nabosektion af mRNA et andet tRNA med en anden aminosyre tilsættes og så videre, indtil hele kæden af ​​i-RNA er aflæst, indtil alle aminosyrerne er reduceret i den passende rækkefølge, og danner et proteinmolekyle. Og tRNA, som leverede aminosyren til en specifik del af polypeptidkæden, befriet fra sin aminosyre og forlader ribosomet.

Så igen i cytoplasmaet kan den ønskede aminosyre slutte sig til det og igen overføre det til ribosomet. I processen med proteinsyntese er ikke én, men flere ribosomer - polyribosomer - involveret samtidigt.

De vigtigste stadier af overførsel af genetisk information:

1. Syntese på DNA som skabelon for mRNA (transkription)
2. Syntese af en polypeptidkæde i ribosomer i henhold til programmet indeholdt i mRNA (translation) .

Stadierne er universelle for alle levende væsener, men de tidsmæssige og rumlige forhold af disse processer er forskellige i pro- og eukaryoter.

U prokaryot transkription og translation kan forekomme samtidigt, fordi DNA er placeret i cytoplasmaet. U eukaryoter transkription og translation er strengt adskilt i rum og tid: Syntesen af ​​forskellige RNA'er sker i kernen, hvorefter RNA-molekylerne skal forlade kernen ved at passere gennem kernemembranen. RNA'erne transporteres derefter i cytoplasmaet til stedet for proteinsyntese.

I enhver celle og organisme er alle anatomiske, morfologiske og funktionelle egenskaber bestemt af strukturen af ​​de proteiner, der omfatter dem. Arvelig ejendom Kroppen er i stand til at syntetisere visse proteiner. Aminosyrer er placeret i polypeptidkæden, som biologiske egenskaber afhænger af.
Hver celle har sin egen sekvens af nukleotider i polynukleotidkæden af ​​DNA. Dette er den genetiske kode for DNA. Gennem det registreres information om syntesen af ​​visse proteiner. Denne artikel beskriver, hvad den genetiske kode er, dens egenskaber og genetisk information.

Lidt historie

Ideen om, at der kunne være en genetisk kode, blev formuleret af J. Gamow og A. Down i midten af ​​det tyvende århundrede. De beskrev, at nukleotidsekvensen, der er ansvarlig for syntesen af ​​en bestemt aminosyre, indeholder mindst tre enheder. Senere beviste de det nøjagtige antal af tre nukleotider (dette er en enhed af genetisk kode), som blev kaldt en triplet eller kodon. Der er fireogtres nukleotider i alt, fordi syremolekylet, hvor RNA forekommer, består af fire forskellige nukleotidrester.

Hvad er genetisk kode

Metoden til at kode sekvensen af ​​aminosyreproteiner på grund af sekvensen af ​​nukleotider er karakteristisk for alle levende celler og organismer. Dette er, hvad den genetiske kode er.
Der er fire nukleotider i DNA:

• adenin - A;
• guanin - G;
• cytosin - C;
• thymin - T.

De er angivet med store latinske bogstaver eller (i russisksproget litteratur) russiske bogstaver.
RNA indeholder også fire nukleotider, men et af dem er forskelligt fra DNA:

• adenin - A;
• guanin - G;
• cytosin - C;
• uracil - U.

Alle nukleotider er arrangeret i kæder, hvor DNA har en dobbelt helix og RNA har en enkelt helix.
Proteiner er bygget på tyve aminosyrer, hvor de, placeret i en bestemt rækkefølge, bestemmer dets biologiske egenskaber.

Egenskaber af den genetiske kode

Trefoldighed. En enhed af genetisk kode består af tre bogstaver, det er triplet. Det betyder, at de tyve aminosyrer, der findes, kodes af tre specifikke nukleotider kaldet kodoner eller trilpetter. Der er fireogtres kombinationer, der kan skabes ud fra fire nukleotider. Denne mængde er mere end nok til at kode for tyve aminosyrer.
Degeneration. Hver aminosyre svarer til mere end én kodon, med undtagelse af methionin og tryptofan.
Entydighed. Ét kodon koder for én aminosyre. For eksempel i genet sund person med information om beta-målet for hæmoglobin, tripletten af ​​GAG og GAA koder for A hos alle med seglcellesygdom, ændres ét nukleotid.
Kolinearitet. Rækkefølgen af ​​aminosyrer svarer altid til sekvensen af ​​nukleotider, som genet indeholder.
Den genetiske kode er kontinuerlig og kompakt, hvilket betyder, at den ikke har nogen tegnsætningstegn. Det vil sige, at der starter ved en bestemt kodon, at der sker kontinuerlig aflæsning. For eksempel vil AUGGGUGTSUAUAUGUG blive læst som: AUG, GUG, TSUU, AAU, GUG. Men ikke AUG, UGG og så videre eller noget andet.
Alsidighed. Det er det samme for absolut alle landlevende organismer, fra mennesker til fisk, svampe og bakterier.

Tabel

Ikke alle tilgængelige aminosyrer er inkluderet i den præsenterede tabel. Hydroxyprolin, hydroxylysin, phosphoserin, jodderivater af tyrosin, cystin og nogle andre er fraværende, da de er derivater af andre aminosyrer kodet af m-RNA og dannet efter modifikation af proteiner som følge af translation.
Fra egenskaberne af den genetiske kode er det kendt, at en kodon er i stand til at kode for en aminosyre. Undtagelsen er udøveren yderligere funktioner og koder for valin og methionin, den genetiske kode. mRNA'et, der er i begyndelsen af ​​kodonet, vedhæfter t-RNA, som bærer formylmethion. Efter afslutning af syntesen spaltes den fra og tager formylresten med sig og omdannes til en methioninrest. De ovennævnte kodoner er således initiatorerne for syntesen af ​​polypeptidkæden. Hvis de ikke er i begyndelsen, så er de ikke anderledes end de andre.

Genetisk information

Dette koncept betyder et program af egenskaber, der er videregivet fra forfædre. Det er indlejret i arv som en genetisk kode.
Den genetiske kode realiseres under proteinsyntese:

• messenger-RNA;
• ribosomalt rRNA.

Information transmitteres gennem direkte kommunikation (DNA-RNA-protein) og omvendt kommunikation (medium-protein-DNA).
Organismer kan modtage, gemme, sende det og bruge det mest effektivt.
Videregivet ved arv bestemmer information udviklingen af ​​en bestemt organisme. Men på grund af interaktion med miljø sidstnævntes reaktion er forvrænget, på grund af hvilken evolution og udvikling sker. På den måde indføres ny information i kroppen.

Beregningen af ​​molekylærbiologiens love og opdagelsen af ​​den genetiske kode illustrerede behovet for at kombinere genetik med Darwins teori, på grundlag af hvilken en syntetisk evolutionsteori opstod - ikke-klassisk biologi.
Darwins arvelighed, variation og naturlige selektion suppleres af genetisk bestemt selektion. Evolution realiseres på det genetiske niveau gennem tilfældige mutationer og nedarvning af de mest værdifulde egenskaber, der er mest tilpasset miljøet.

Afkodning af den menneskelige kode

I halvfemserne blev Human Genome Project lanceret, hvilket resulterede i, at genomfragmenter indeholdende 99,99% af menneskelige gener blev opdaget i to tusindedele. Fragmenter, der ikke er involveret i proteinsyntese og ikke er kodet, forbliver ukendte. Deres rolle er endnu ukendt.

Sidst opdaget i 2006 er kromosom 1 det længste i genomet. Mere end tre hundrede og halvtreds sygdomme, herunder kræft, opstår som følge af lidelser og mutationer i det.

Rollen af ​​sådanne undersøgelser kan ikke overvurderes. Da de opdagede, hvad den genetiske kode er, blev det kendt efter, hvilke mønstre udviklingen sker, hvordan den morfologiske struktur, psyke, disposition for visse sygdomme, stofskifte og defekter hos individer dannes.